Reportamos medidas polarimétricas de fases geométricas que son generadas por evoluciones de fotones polarizados a lo largo de trayectorias no geodésicas en la esfera de Poincaré. La esencia de nuestro arreglo polarimétrico está en las siete láminas retardadoras que son atravesadas por un haz de fotones individuales. Con este arreglo, cualquier transformaci on SU(2) puede ser realizada. Explotando la invarianza Gauge de las fases geom etricas bajo transformaciones locales U(1), anulamos la contribución dinámica a la fase total, de este modo haciendo que la última coincida con la fase geométrica. Demostramos la insensibilidad de nuestro arreglo bajo distintas fuentes de ruido. Esto hace del arreglo polarimétrico de fotones individuales una herramienta versátil y prometedora para probar la robustez de la fase geométrica frente al ruido. / We report polarimetric measurements of geometric phases that are generated by evolving polarized photons along nongeodesic trajectories on the Poincar e sphere. The core of our polarimetric array consists of seven wave plates that are traversed by a single-photon beam. With this array, any SU(2) transformation can be realized. By exploiting the gauge invariance of geometric phases under U(1) local transformations, we nullify the dynamical contribution to the total phase, thereby making the latter coincide with the geometric phase. We demonstrate our arrangement to be insensitive to various sources of noise entering it. This makes the single-beam, polarimetric array a promising, versatile tool for testing robustness of geometric phases against noise.

En el presente trabajo reportamos los resultados experimentales que muestran la interacción entre visibilidad, distinguibilidad y grado de polarización, estos gobernados por una reciente extensión del teorema polarización y coherencia (PCT). Esta clase de teoremas tratan dualidad en ambos escenarios tanto cuánticos como clásicos. Nosotros particularmente nos enfocamos en el vector inherente natural del grado de libertad de polarización y mostramos varios efectos que van más allá del alcance original del teorema PCT. Nuestros resultados exhiben características que pueden ser compartidas por fenómenos cuánticos y clásicos, siempre que estos fenómenos reflejen alguna coherencia oculta o expuesta. / Trabajo de Investigación

El entrelazamiento puede abordarse desde dos perspectivas diferentes: como un recurso esencial para las tecnologías cuánticas y como un fenómeno fundamental que está íntimamente relacionado con nuestra comprensión de la naturaleza misma. Por otro lado, la teoría cuántica se formula en el marco teórico de los espacios de Hilbert, para los que el entrelazamiento juega un papel importante en la determinación de su geometría y topología. Las características topológicas que puedan exhibirse al utilizar estados entrelazados son largamente independientes de la realización física particular del entrelazamiento: puede afectar a un solo grado de libertad poseído por dos partículas diferentes, o bien puede implicar dos grados diferentes de libertad que se cohesionan a una misma partícula o entidad física, por ejemplo, un campo electromagnético. Resulta que la manipulación de los grados de libertad de polarización y momentum (camino) ya sea de forma independiente el uno del otro o mediante la aplicación de evoluciones unitarias no separables es muy versátil. Con esto en mente, la presente tesis apunta hacia el diseño e implementación de arreglos experimentales que se pueden utilizar para estudiar fases geométricas y topológicas en sistemas de dos qubits mediante el uso de los grados de libertad de momentum (camino) y polarización de un solo fotón. Finalmente mostramos el diseño de un experimento, apuntado a exhibir la fase topológica, y los resultados obtenidos.

En este trabajo se desarrolló un modelo simplificado de un oscilador inicialmente excitado como un sistema cuántico interactuando con un gran número de osciladores como un reservorio. Todos estos osciladores están en su estado fundamental y sin acoplamientos entre sí, en el límite de acoplamiento débil entre el sistema y el reservorio. Este sistema podría ser un oscilador excitado en una micro cavidad que interactúa con el vacío del campo electromagnético a temperatura cero. El principal objetivo de este trabajo es obtener la solución exacta para la matriz de densidad del sistema en estas condiciones. El planteamiento general consiste en calcular la evolución de todos los osciladores como una única entidad aislada mediante el operador 𝑒−𝑖𝐻𝑡, donde 𝐻 es el hamiltoniano total. Partiendo de un estado inicial total factorizable entre el sistema y el reservorio, la evolución es unitaria y se toma la traza parcial en los grados de libertad del entorno para obtener la matriz de densidad del sistema en cualquier instante del tiempo; este procedimiento requiere diagonalizar1 𝐻. Se desarrollan técnicas generales que pueden ser extendidas a versiones más elaboradas del modelo, se inicia con la descomposición del espacio de Hilbert total ℋ=ℋ0⊗ℋ1⊗⋯ℋ𝑁 , que es el producto tensorial de los subespacios de Hilbert de cada oscilador ℋ𝑖, en subespacios ℋ(Σ) llamados subespacio de número de excitación definido, que corresponde al conjunto de todos los estados |𝑛 ⟩∈ℋ que tienen el mismo número de excitación colectiva Σ; cumpliéndose: ℋ=ℋ(0)⊕ℋ(1)⊕ℋ(2)⋯⊕ℋ(𝑁+1), donde 𝑁 es el número de osciladores del entorno. Se introducen diagramas compuestos de nodos y flechas para representar la acción del hamiltoniano en cada subespacio ℋ(Σ). Se plantea una notación para trabajar en estos subespacios y calcular la sumatoria asociada a la traza parcial. Los resultados son evaluados para un reservorio de 𝑁=1000 osciladores, valores particulares de la fuerza de acoplamiento y orden óhmico de la densidad espectral, contrastados con la correspondiente solución markoviana, descrita en la sección [2.3.1]. / A simplified model of an initially excited oscillator as a quantum system interacting with a large number of oscillators acting as a reservoir has been developed in this work. All these oscillators are in their ground state uncoupled each other and at the limit of the weak coupling between the system and the reservoir. This system could be an oscillator excited in a microcavity that interacts with the vacuum’s electromagnetic field at zero temperature. This work’s primary goal is to obtain the system’s density matrix’s exact solution in these conditions. The general approach calculates all oscillators’ evolution as a single isolated entity using the operator 𝑒−𝑖𝐻𝑡, when 𝐻 is the total hamiltonian. Starting from a total initial state that can be factored between the system and the reservoir, the evolution is unitary, and the partial trace is taken in all the degrees of freedom of the environment to obtain the density matrix of the system at any instant of time; this procedure requires diagonalizing2 𝐻. General techniques are developed and would be extended to more elaborate versions of the model, starting with the decomposition of the total Hilbert space ℋ=ℋ0⊗ℋ1⊗⋯ℋ𝑁 , which is the tensor product of the Hilbert subspaces of each oscillator ℋ𝑖, into subspaces ℋ(Σ) called a subspace of defined excitation number, which corresponds to the set of all states |𝑛⟩∈ℋ that have the same collective excitation number Σ; being fulfilling: ℋ=ℋ(0)⊕ℋ(1)⊕ℋ(2)⋯⊕ℋ(𝑁+1), 𝑁 is the environment’s oscillators number. Diagrams composed of nodes and arrows are introduced to represent the Hamiltonian’s action in each subspace ℋ(Σ). A notation is also proposed to work on these subspaces and calculate the sum associated with the partial trace. The results are evaluated for a reservoir of 𝑁=1000 oscillators, particular values of the coupling force, and ohmic order of the spectral density, contrasted with the corresponding Markovian solution described in section [2.3.1].

Esta tesis discute el Teorema de No-Borrado en el contexto de la mecánica cuáantica, desde un punto de vista informacional y termodin ámico. Se realiza la prueba del teorema, y se hace distinci ón entre borrado cu ántico (deletion) y borrado (erasure). Se discute el borrado (erasure) a mayor profundidad a trav és del Demonio de Maxwell y el Principio de Landauer, vinculados entre s por la Segunda Ley de la Termodin ámica. Esto conduce a relacionar el concepto de borrado (erasure) con medici on y trabajo. Se propone un montaje experimental que sirve como simulaci ón de un proceso de borrado cu ántico (deletion), a trav és del uso de óptica lineal suplementada por procesos como la conversi ón param étrica espont ánea descendiente. Finalmente, se compara al Teorema de No-Borrado con otros Teoremas de Imposibilidad, y se demuestran las relaciones de implicancia entre este teorema, el de No-Comunicaci ón y la Segunda Ley de la Termodin ámica.

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A primary interest of this thesis is to obtain a powerful tool for determining structural properties, electrical and reactivity of molecules. A second interest is the study of fundamental error based on complex overlay of bridge hydrogen. One way to correct this error, using Counterpoise correction proposed by Boys and Bernardi. Usually the Counterpoise correction is applied promptly on the geometries previously optimized. Our goal was to find areas of potential which had all the points fixed with CP. These surfaces have a minimum corresponding to a surface other than corrected, ie, the geometric parameters will be different. The curvature of this minimum will also be different, therefore the vibrational frequency will also change when they are corrected with BSSE. Once constructed these surfaces have been studied various complex. It has also been investigated as the method for calculating the error influenced on the basis superposition. / Un primer interés de la tesi és poder obtenir una eina potent de determinació de propietats estrucutrals, elèctriques i de reactivitat de les molècules. Un segon interés fonamental és l’estudi de l’error de superposició de base en complexes de pont d’hidrogen. Una forma de corregir aquest error, és mitjançant la correcció de Counterpoise proposada per Boys i Bernardi. Normalment la correcció de Counterpoise s’aplica puntualment sobre les geometries prèviament optimitzades. El nostre objectiu era trobar superfícies de potencial les quals tinguessin tots els punts corregits amb CP. Aquestes superfícies tenen un mínim diferent del corresponent a una superfície corregida, és a dir, els paràmetres geomètric seran diferents. La curvatura d’aquest mínim també serà diferent, per tant les freqüencies de vibració també canviarà quan aquestes es corregeixen amb BSSE. Un cop construïdes aquestes superfícies, s’han estudiat diferents complexes. També s’ha investigat com el mètode de càlcul influïa sobre l’error de superposició de base.

This PhD thesis is submitted as a \emph{compendium} of the articles \cite{NS, holographic, topological}. The following has been adapted from their abstracts. Quantum mechanics has been argued to be a coarse--graining of some underlying deterministic theory. Here we support this view by establishing mappings between non-relativistic quantum mechanics and thermodynamic theories, since the latter are the paradigm of an emergent theory. First, we map certain solutions of the Schroedinger equation to solutions of the irrotational Navier--Stokes equation for viscous fluid flow. Although this is formally a generalization of Madelung's hydrodynamical interpretation, the presence of a viscous term leads to a novel interpretation. As a physical model for the fluid itself we propose the quantum probability fluid. It turns out that the (state--dependent) viscosity of this fluid is proportional to Planck's constant, while the volume density of entropy is proportional to Boltzmann's constant. Stationary states have zero viscosity and a vanishing time rate of entropy density. On the other hand, the nonzero viscosity of nonstationary states provides an information--loss mechanism whereby a deterministic theory (a classical fluid governed by the Navier--Stokes equation) gives rise to an emergent theory (a quantum particle governed by the Schroedinger equation). Then, we present a map of standard quantum mechanics onto classical thermodynamics of irreversible processes. In particular, the propagators of the quantum harmonic oscillator are mapped to the conditional probabilities that solve the Chapman-Kolmogorov equation for Markovian Gaussian processes. While no gravity is present in our construction, our map exhibits features that are reminiscent of the holographic principle of quantum gravity. Finally, the classical thermostatics of equilibrium processes is shown to possess a quantum mechanical dual theory with a finite dimensional Hilbert space of quantum states. Specifically, the kernel of a certain Hamiltonian operator becomes the Hilbert space of quasistatic quantum mechanics. The relation of thermostatics to topological field theory is also discussed in the context of the approach of emergence of quantum theory, where the concept of entropy plays a key role. / La presente tesis doctoral se presenta como compendio de las publicaciones \cite{NS, holographic, topological}. El siguiente resumen es una adaptación de sus resumenes. Se ha argumentado que la mecánica cuántica podría emerger como promediado de una teoría determinista subyacente. Se apoya dicha visión estableciendo mapeos entre la mecánica cuántica no relativista y teorías termodinámicas, ya que estas constituyen el paradigma de teoría emergente. Primero, se establece un mapeo entre soluciones de la ecuación de Schroedinger y soluciones de la ecuación de Navier-Stokes irrotacional para fluidos viscosos. Aunque formalmente se trate de una generalización de la interpretación hidrodinámica de Madelung, la presencia del término viscoso sugiere una nueva interpretación. Se propone la probabilidad cuántica como modelo físico del fluido. Se obtiene que la viscosidad (dependiente del estado) es proporcional a la constante de Planck, mientras que la densidad de entropía es proporcional a la constante de Boltzmann. Los estados estacionarios tienen viscosidad y tasa de producción de densidad de entropía nulas. Por otro lado, la viscosidad no nula de los estados no estacionarios proporciona un mecanismo de pérdida de información por el cual una teoría determinista (un fluido clásico gobernado por la ec. de Navier-Stokes) da lugar a una teoría emergente (una partícula cuántica gobernada por la ec. de Schroedinger). Después, se presenta un mapeo entre la mecánica cuántica y la termodinámica clásica de procesos irreversibles. En particular, los propagadores del oscilador armónico cuántico se mapean a las probabilidades condicionales que resuelven la ecuación de Chapman-Kolmogorov para procesos de Markov Gaussianos. Aunque no hay gravedad, el mapeo exhibe propiedades que recuerdan al principio holográfico de la gravedad cuántica. Finalmente, se muestra cómo la termoestática clásica de procesos de equilibrio posee una teoría cuántica dual con un espacio de Hilbert finito - dimensional de estados cuánticos. Concretamente, el núcleo de cierto operador Hamiltoniano se convierte en el espacio de Hilbert de una mecánica cuántica cuasiestática. La relación de la termoestática a la teoría topológica de campos se discute en el contexto de la mecánica cuántica emergente, donde el concepto de entropía juega un papel clave. / Aquesta tesi doctoral es presenta com a compilació de les publicacions \cite{NS, holographic, topological}. El següent resum es una adaptació dels seus resums. S'ha argumentat que la mecànica quàntica podria emergir com a granulat gros d'una teoria determinista subjacent. Es dóna suport a aquesta visió mitjaçant uns mapes entre la mecànica quàntica no relativista i teories termodinàmiques, ja que les darreres són el paradigma de teoria emergent. Primer, s'estableix un mapa entre certes solucions de l'equació de Schroedinger i solucions de l'equació de Navier-Stokes irrotacional per a fluids viscosos. Tot i que formalment es tracte d'una generalització de la interpretació hidrodinàmica de Madelung, la presència del terme viscós ens porta a una nova interpretación. Es proposa la probabilitat quàntica com a model físic del fluid. S'obté que la viscositat del fluid (que depén de l'estat) es proporcional a la constant de Planck, mentre que la densitat d'entropía es proporcional a la constant de Boltzmann. Els estats estacionaris tenen viscositat nul·la i taxa de producció d'entropia nul·la. Per alta banda, la viscositat no nul·la dels estats estacionaris proporciona un mecanisme de pèrdua d'informació pel qual una teoria determinista (un fluid clàssic governat per l'equació de Navier-Stokes) dóna lloc a una teoria emergent (una partícula quàntica governada per l'equació de Schroedinger). Després, es presenta un mapa entre la mecànica quàntica i la termodinàmica clàssica de processos irreversibles. En particular, els propagadors de l'oscil·lador harmònic quàntic es mapejen a les probabilitats condicional que resolen l'ecuació de Chapman-Kolmogorov per a processos de Markov Gaussians. Tot i que no hi ha gravetat present a la nostra construcció, el mapa exhibeix propietats que recorden al principi hologràfic de la gravetat quàntica. Finalment, es mostra cóm la termoestàtica clàssica de processos d'equilibri té una teoria quàntica dual amb un espai de Hilbert de dimensió finita d'estats quàntics. En concret, el nucli de cert operador Hamiltonià es converteix en l'espai de Hilbert d'una mecànica quàntica quasiestàtica. La relació de la termoestàtica a la teoria topològica de camps es dicuteix en el context de la mecànica quàntica emergent, on el concepte d'entropia té un paper clau. / Vázquez Molina, J. (2017). Mappings between Thermodynamics and Quantum Mechanics that support its interpretation as an emergent theory [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/83122 / TESIS